Основные светотехнические понятия и единицы

Освещение производственных помещений характеризуется количественными и качественными показателями. К основным количественным показателям относятся: световой поток, сила света, яркость и освещенность.

К основным качественным показателям зрительных условий работы можно отнести: фон, контраст между объектом и фоном, видимость.

Световой поток (Ф) –это мощность светового видимого излучения, которая оценивается глазом человека по световым ощущениям. Единицей светового потока является люмен (лм) световой поток от эталонного точечного источника в одну канделу (международную свечу), расположенного в вершине телесного угла в один стерадиан.

Сила света (1) – это величина, которая определяется отношением светового потока (Ф) к телесному углу (w), в пределах которого световой поток равномерно распределяется:

l = (2.11)

За единицу силы света принята кандела (кд) - сила света точечного источника, излучающего световой поток в 1лм, который равномерно распределяется внутри телесного угла в 1 стерадиан.

Яркость (В) – определяется как отношение силы света, излучаемого элементом поверхности в данном направлении, к площади светящейся поверхности:

В = (2.12)

где 1- сила света, излучаемая поверхностью в заданном направлении.

S – площадь поверхности;

А – угол между нормалью к элементу поверхности S и направлением, для которого определяется яркость.

Единицей яркости является н и m (нт) – яркость светящейся поверхности, от которой в перпендикулярном направлении излучается свет силой в 1 канделу с 1м².

Освещенность (Е) – отношение светового потока (Ф), падающего на элемент поверхности, к площади этого элемента (S):

Е=Ф/S (2.13)

Ф – световой поток, лм

S – площадь, м²

За единицу освещенности принят л ю к с (лк) - уровень освещенности поверхности площадью 1 м², на которую падает равномерно распределяясь, световой поток в 1 люмен.

Фон – поверхность, прилегающая непосредственно к объекту, на которой он рассматривается. Фон характеризуется коэффициентом отражения поверхности ρ, численно равным отношению светового потока, отраженного от поверхности, к световому потоку, падающему на неё. Фон считается светлым при ρ > 0,4, средним – при ρ = 0,2 – 0,4 и темным, если ρ < 0,2.

Контраст между объектом и фоном (k) характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точка, линия, знак и другие элементы, которые требуется различить в процессе работы) и фона. Контраст между объектом и фоном определяется по формуле:

(2.14)

где В_о и В_ф соответственно яркости объекта и фона, нт.

Контраст считается большим при к>0,5, средним - при к = 0,2 – 0,5 и малым - при к < 0,2.

Видимость (v) характеризует способность глаза воспринимать объект. Видимость зависит от освещенности, размера объекта различия, его яркости, контраста между объектом и фоном, длительности экспозиции:

V = (2.15)

где к – контраст между объектом и фоном;

к_пор – пороговый контраст, то есть наименьший контраст, различимый глазом при данных условиях.

Для измерения светотехнических величин применяют люксметры, фотометры, измерители видимости и другие приборы.

В производственных условиях для контроля освещенности рабочих мест и общей освещенности помещений чаще всего используют люксметры типов Ю-116, Ю-117 и универсальный портативный цифровой люксметр-яркомер ТЭС 0693. Работа этих приборов основана на явлении фотоэффекта – превращении световой энергии в электрическую.

Для создания благоприятных условий зрительной работы, исключающих быстрое утомление глаз, возникновение профессиональных заболеваний, несчастных случаев содействующих повышению производительности труда и качества продукции, производственное освещение должно отвечать следующим требованиям:

- создавать на рабочей поверхности освещенность, соответствующую характеру зрительной работы, не ниже установленных норм;

- обеспечить достаточную равномерность и постоянства уровня освещенности в производственных помещениях во избежание частой переадаптации органов зрения;

- не создавать ослепляющего действия как от самих источников освещения, так и от других предметов, находящихся в поле зрения;

- не создавать на рабочей поверхности резких и глубоких теней (особенно подвижных);

- обеспечить достаточный для различия деталей контраст освещаемых поверхностей;

- не создавать опасных и вредных производственных факторов (шум, тепловые излучения, опасность поражения током, пожаро и взрывоопасность светильников);

- должно быть надежным и простым в эксплуатации, экономичным и эстетичным.

В зависимости от источника света производственное освещение может быть естественным, создаваемым прямыми солнечными лучами и рассеянным светом небосвода; искусственным, создаваемым электрическими источниками света и совмещенным, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным.

Естественное освещение подразделяется на: боковое (одно или двухстороннее), которое осуществляется через световые проёмы (окна) в наружных стенах; верхнее, осуществляемое через фонари и световые проемы в крышах и перекрытиях; комбинированное – сочетание верхнего и бокового освещения.

Искусственное освещение может быть общим и комбинированным.

Общим называют освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещения (не ниже 2,5м над полом) равномерно (общее равномерное освещение) или с учетом расположения рабочих мест (общее локализованное освещение). Комбинированное освещение состоит из общего и местного. Его целесообразно применять при работах высокой точности, а также, если необходимо создать определенное или переменное, в процессе работы, направление света. Местное освещение создается светильниками, которые концентрируют световой поток непосредственно на рабочих местах. Применение только местного освещения не допускается, учитывая опасность производственного травматизма и профессиональных заболеваний. (Общее в помещ. 2 лк, охранное аварийное 0,5 лк, на открытой территории 0,2 лк)

2.5.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Естественное освещение имеет важное физиолого-гигиеническое значение для работающих. Оно благоприятно воздействует на органы зрения, стимулирует физиологические процессы, повышает обмен веществ и улучшает развитие организма в целом. Солнечное излучение согревает и обеззараживает воздух, очищая его от возбудителей многих болезней (например, вируса гриппа). Кроме того, естественный свет имеет и важное психологическое значение, создавая у работающих ощущение непосредственной связи с окружающей средой.

Естественному освещению свойственны и недостатки: оно непостоянно в различное время дня и года, в различную погоду, неравномерно распределяется по площади производственного помещения при неудовлетворительной его организации может вызывать ослепление органов зрения.

Естественное освещение организуется через разного рода световые проемы.

На уровень освещенности помещения при естественном освещении влияют следующие факторы: световой климат; площадь и ориентация световых проемов; степень чистоты стекла в световых проемах; окраска стен и потолка помещения; глубина помещения; наличие предметов, закрывающих окно как изнутри, так и снаружи помещения.

Естественное освещение оценивается коэффициентом е естественной освещенности (КЕО):

е = (2.16)

где Е_вн - освещенность, создаваемая внутри помещения, лк;

Е_нар - освещенность земной поверхности от небосвода, лк.

Нормированное значение (КЕО) е_н для помещений, которые размещены в I, II, IV,V поясах светового климата, определяется по формуле

е_н= е_н^III (2.17)

где е_н^III – нормированное значение КЕО согласно СНиП ІІ-4-79. Нормы проектирования. Естественное и искусственное освещение по табл. 2.5.1;

m – коэффициент светового климата;

с – коэффициент солнечности климата

Территория Украины по поясам светового климата представлена на рис. 2.5.1.

Коэффициент m для IV пояса светового климата равен 0,9.

В охране труда нормируется е_min зависимости от следующих факторов:

● вида выполняемой работы (помещения);

● расположения световых проемов;

● конструктивных особенностей световых проемов и расположенных рядом строений.

При боковом естественном освещении минимальное значение коэффициента естественной освещенности (е_min) нормируется:

● при одностороннем - в точке, расположенной на расстоянии 1м от стены, наиболее удаленной от световых проемов;

● при двустороннем - в точке посередине помещения на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (или пола);

Рис. 2.5.1 - Территория Украины по поясам светового климата

При верхнем и совмещенном освещении нормируется среднее значение КЕО (е_ср).

Под условной поверхностью понимается условно принятая горизонтальная поверхность, расположенная на высоте 0,8 м от пола. При экспериментальном определении КЕО требуется производить замеры освещенности внутри и снаружи здания одновременно, когда небо затянуто облаками. Точку для измерения наружной освещенности выбирают на открытом участке земной поверхности.

При совмещенном освещении КЕО определяют по формуле:

e_i = e_б + e_в, (2.18)

где е_б и е_в - КЕО соответственно при боковом и верхнем освещении.

2.5.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Основное отличие ночных условий труда от дневных состоит в том, что при ночных условиях отсутствует достаточная освещенность поля зрения работающего равномерно распределенным световым потоком. Поэтому необходимо создавать такое искусственное освещение, при котором суммарный световой поток от всех установленных в рабочей зоне светильников распределялся бы равномерно.

Наименьшая освещенность рабочих поверхностей в производственных помещениях регламентируется СНиП ІІ-4-79 и зависит, в основном, от характеристики зрительной работы разряда зрительной работы, наименьшего размера объекта различения, контраста объекта с фоном, характеристики фона и типа освещения (табл.2.5.1). Нормы носят межотраслевой характер. На их основе, как правило, разрабатывают нормы для отдельных отраслей промышленности.

В СНиП ІІ-4-79 восемь разрядов зрительной работы, из которых первых шесть характеризуются размерами объекта различия. Для 1-5 разрядов, которые кроме того имеют еще и по четыре подразряда, (а,б, в, г), нормируемые значения зависят не только от наименьшего размера объекта различия, но и от контраста объекта с фоном и характеристики фона. Наибольшая нормируемая освещенность составляет 5000 лк (разряд 1а), а наименьшая – 30 лк (разряд 8а).

Выбор системы освещения включает и решение вопроса о размещении выбранных источников света над производственной площадью с учетом условий крепления или подвеса, дальности действия, допустимой высоты подвеса, мощности.

В качестве источников искусственного освещения широко используются лампы накаливания и газоразрядные лампы.

Лампы накаливания относятся к тепловым источникам света. Под действием электрического тока нитка накаливания (вольфрамовая проволока) нагревается до высокой температуры и излучает поток лучистой энергии. Эти лампы характеризуются простотой конструкции и изготовления, относительно низкой стоимостью, удобством эксплуатации, широким диапазоном напряжения и мощностей. Рядом с преимуществами им присущи и существенные недостатки: большая яркость (ослепляющее действие); низкая световая отдача (4-18 лм/Вт); относительно малый срок эксплуатации (до 2,5 тыс. ч.); преобладание желто-красных лучей по сравнению с естественным светом; высокая температура нагрева (~140^оС), что делает их пожароопасными.

Газоразрядные лампы излучают свет оптического диапазона спектра в результате электрического разряда в среде инертных газов и паров металла и явления люминесценции.

Основным преимуществом газоразрядных ламп является их экономичность. Световая отдача этих ламп составляет 40 – 100 лм/Вт, что в 5 раз превышает световую отдачу ламп накаливания. Срок эксплуатации – до 10 тыс. ч., а температура нагрева (люминесцентные 30-60 ^оС). Кроме того, газоразрядные лампы обеспечивают световой поток практически любого спектра, путем подбора соответствующих инертных газов, паров металла, люминофора. Так, по спектральному составу видимого света выпускают люминесцентные лампы: дневного света (ЛД), дневного света с улучшенной передачей цветов (ЛДЦ), холодного белого (ЛХБ), теплого белого (ЛТБ), белого (ЛБ) и др.

Основным недостатком газоразрядных ламп является пульсация светового потока, которая может обусловить возникновение стробоскопического эффекта. В результате такого эффекта искажается зрительное восприятие передвигающихся и вращающихся предметов, что может увеличить опасность травматизма. К недостаткам этих ламп можно также отнести сложность схемы включения, шум дросселей, значительное время между включением и зажиганием ламп, относительную дороговизну.

Газоразрядные лампы бывают низкого и высокого давления. Газоразрядные лампы низкого давления, которые называются люминесцентными, широко применяются для освещения помещений, как на производстве, так и в быту. Однако они не могут использоваться при низких температурах и пониженных напряжениях (плохо загораются) и характеризуются малой единичной мощностью при больших размерах самих ламп.

Газоразрядные лампы высокого давления применяются в условиях, когда необходима высокая световая отдача при компактности источников света и стойкости к условиям внешней среды. Среди этих типов ламп чаще всего используются металлогалогенные (МГЛ), дуговые ртутные (ДРЛ), и натриевые.

Основными характеристиками источников искусственного освещения являются: номинальное напряжение питания, В; электрическая мощность лампы, Вт; световой поток, лм; световая отдача, лм/Вт; срок эксплуатации; спектральный состав света; стоимость.

Осветительная арматура перераспределяет световой поток лампы в пространстве, или преобразует ее свойства (изменяет спектральный состав излучения), предохраняет глаза работающих от ослепляющего действия ламп. Кроме того, она защищает источник света от влияния окружающей пожаро- и взрывоопасной, химически-активной среды, механических повреждений, пыли, грязи, атмосферных осадков.

Основными светлотехническими характеристиками светильников являются: светораспределение, кривая силы света, коэффициент полезного действия и защитный угол.

Коэффициент полезного действия (КПД) светильника определяется отношением светового потока светильника к световому потоку установленной в нем лампы. Осветительная арматура поглощает часть светового потока, излучаемого источником света, однако благодаря рациональному перераспределению света в необходимом направлении увеличивается освещенность на рабочих поверхностях.

По конструктивному исполнению светильники подразделяют на: открытые (лампа не отделена от внешней среды), защищенные (лампа отделена оболочкой, допускающей свободный проход воздуха), закрытые (оболочка защищает от проникновения внутрь светильника крупной пыли), пыленепроницаемые, влагозащищенные, взрывобезопасные и повышенной надежности против взрыва. По назначению светильники могут быть общего и местного освещения.

Для всех производственных помещений проектируют систему общего или комбинированного освещения. При выполнении работ 1-4 разрядов рекомендуется использовать, как правило, комбинированную систему освещения, поскольку достижение необходимой освещенности при общей системе освещения требует большого расхода электрической энергии и является нецелесообразным. С этой же точки зрения следует отдавать предпочтение локализованному освещению, в том числе и в системе комбинированного, выдерживая при этом допустимые нормы неравномерности освещения (СНиП ІІ-4-79). Освещенность рабочей поверхности, создаваемая светильниками общего освещения в системе комбинированного освещения, однако во всех случаях не меньше 150 лк при газоразрядных лампах и 50 лк – при лампах накаливания.

С гигиенической точки зрения система общего освещения более совершенна, поскольку дает возможность более равномерно распределить световую энергию.

Выбирая источники света, следует отдавать предпочтение люминесцентным лампам, поскольку они энергетически более экономны. Кроме того, они по спектральным характеристикам максимально приближаются к естественному свету, что важно при совмещенном освещении.

Если нет технологических указаний, касающихся спектрального состава излучаемого света, то лучше всего, с экономической точки зрения, применять люминесцентные лампы типа ЛБ, у которых наивысшая светоотдача.

Для уменьшения начальных расходов на осветительные установки и расходов на их эксплуатацию следует использовать лампы большей мощности. Однако при этом может ухудшиться равномерность освещения, поскольку последняя обратно пропорциональна расстоянию между источниками света.

В общем случае равномерность освещения удается обеспечить тогда, когда расстояние между центрами светильников не превышает двойной высоты их установки. В то же время высота, на которой устанавливаются светильники, зависит от высоты помещения, мощности лампы, класса светильника и системы освещения. Наименьшая высота установки над полом светильников с числом люминесцентных ламп до четырех – 2,6 м, а при четырех и более – 3,2 м.

Выбор типа светильников проводится с учетом характеристики помещения, для которого проектируется освещение. Для помещений, стены и потолок которых имеют невысокие отражающие свойства целесообразно применять светильники прямого света, которые, направляя излучение ламп вниз на рабочие поверхности, гарантируют минимальные потери и наилучшее использование светового потока. Однако следует иметь ввиду, что светильники этого класса создают резкие падающие тени от посторонних предметов, что необходимо учитывать при их расположении.